气孔作为植物登陆过程中出现的最关键的革新性状之一,在植物对陆生环境的适应中起着重要作用。随着植物的进化及其对环境的适应,不同类群的植物气孔特征出现差别,同时暗示着其表达调控机制的不同。与陆生植物相比,目前关于水生植物气孔的研究较少,仍有诸多问题尚不清楚。因而,研究水生植物的气孔特征及其表达调控机制对理解水陆环境中植物的适应性进化具有重要意义。相关研究显示:不同生活型水生植物有着不同的气孔特征,其气孔主要分布在叶片与空气的接触面上,如气生叶的上下表皮层,浮水叶的上表皮层,而沉水叶中一般无气孔。本研究以三种生活型水生植物,沉水的蓖齿眼子菜(Potamogeton pectinatus),异形叶的钝脊眼子菜(Potamogeton octandrus)和两栖的中华水韭(Isoetes sinensis),结合水生和陆生生境,采用多种方法比较观察这三种水生植物的气孔特征。同时,利用RNA-Seq技术,获得蓖齿眼子菜转录组数据,结合前期所获得的钝脊眼子菜和中华水韭转录组数据,并通过生物信息学的方法,借鉴数据库中已发表的气孔的核酸及蛋白序列信息,对三种生活型水生植物的气孔同源基因进行了挖掘,同时参照模式物种拟南芥(Arabidopsis thaliana)已有的气孔发育基因的研究,对挖掘到的气孔发育同源基因的表达量进行分析,探究气孔发育的表达调控机制。得到以下结果和相关结论:1.三种生活型水生植物气孔适应性特征比较沉水的蓖齿眼子菜:发现其沉水叶有平列型的气孔器,说明沉水植物可能具有形成气孔的潜在能力。蓖齿眼子菜上、下表皮气孔密度从叶尖到叶基逐渐减小,且上表皮的气孔密度较大,叶顶端的气孔比叶片部位小,这种分布模式更有利于植物与外界进行气体交换和气孔运动。异形叶的钝脊眼子菜:其浮水叶有平列型的气孔器,主要散生均匀分布在浮水叶上表皮,这可能是由于浮水叶上表面受光均匀,与外界进行气体交换的机会均等;沉水叶上则无气孔器。两栖的中华水韭:其叶片上有平列型的气孔器,较对称的成行排列在靠近叶缘的两个纵向区域内,陆生处理的叶片气孔多呈开放状态,水生处理的叶片气孔多呈关闭状态,气孔密度从叶尖到叶基逐渐减小。2.三种生活型水生植物气孔表达调控机制(1)蓖齿眼子菜转录组数据特征:蓖齿眼子菜采用De novo组装后共40331条Unigenes序列,与7大数据库(NR、Swiss-Prot、GO、COG、KOG、eggNOG4.5、KEGG)进行比对,共有24842条Unigenes得到了注释,与NR数据库的比对结果中,大多数的同源序列都来自于同为单子叶植物的油棕(Elaeis guineensis)和海枣(Phoenix dactylifera),与其他数据库的注释主要集中在基础的功能代谢,在GO注释中,归类到代谢过程条目的Unigenes数目最多,在KOG注释中,归类到一般性功能预测的Unigenes数目最多,在KEGG注释下,归类到新陈代谢这一大类代谢途径的Unigenes数目最多,可见蓖齿眼子菜叶片组织中代谢活动旺盛,这对于维持植物正常的生命活动至关重要。(2)气孔发育同源基因及其表达量分析:沉水的蓖齿眼子菜:气孔发育的同源基因共18个,表明蓖齿眼子菜中保留了部分气孔发育的关键基因,这些可能是诱导沉水植物出现气孔的关键功能基因,同时可能还丢失了部分基因,这是个别物种为适应生存环境所发生的适应性变化。异形叶的钝脊眼子菜:其气孔发育的同源基因共30个,基因表达量的分析显示了幼嫩期、成熟期的浮水叶和沉水叶相比,2个正调控因子FAMA和EPFL9均表达上调,2个负调控因子ERECTA和SDD1均表达下调。另外,幼嫩期和成熟期的浮水叶还各自具有3个、1个基因表达下调,表明幼嫩叶片中气孔的发育调控更加活跃,同时这些基因的差异表达可能是促进浮水叶气孔发生、抑制沉水叶中气孔发生的原因之一。两栖的中华水韭:其气孔发育的同源基因共13个。通过基因表达量的分析显示了和水生环境相比,陆生环境1个基因SCRM表达上调,1个基因SPCH表达下调,这些基因参与的调控途径可能是中华水韭在适应水陆环境时气孔发育所必须的。